水压爆破技术在杨木栅子隧道的应用

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  摘要:通常采用的隧道爆破方法具有炸药能量利用率偏低、循环进尺短、施工环境污染严重的问题,已成为制约开挖技术提高的瓶颈。水压爆破技术对于工程本身而言,在减少炸药消耗的情况下能够有效提高炮孔的利用率,而且循环进尺速度也会得到相应的提升,另外,水压爆破技术对环境的影响较小,它可以减少通风排尘的时间,对空气质量以及施工环境也有一定的改善,正因如此,这项技术在业界具有的口碑使其被广泛地应用。
  关键词:水压爆破;隧道:爆破施工
  一、工程实例
  张唐铁路杨木栅子隧道设计为双线隧道,全长达到五千六百二十八米。在对该隧道出口动身掘进施工中,水压爆破技术发挥了自身的优势。该隧道最大埋深为三百二十米,由于Ⅱ级和III级围岩段开挖断面尺寸分别为83.36m2、94.92m2,因而采用全断面法进行施工。而Ⅳ级和V级围岩段开挖断面尺寸达到了99.8m2、104m2,这种围岩地段就可以选用台阶法施工。也就是说,水压爆破技术对不同的施工要求有不同的应对策略,这也是它的一大特点。
  二、爆破设计
  ㈠Ⅱ级、Ⅲ级围岩全断面法施工
  1.爆破器材选用
  爆破器材在选取过程中要结合施工所需的器材和本地的火工品库存进行选取,选用的器材如下:
  ① 瞬间发射的非电毫秒雷管,导爆管连接,击发枪起爆。
  ② 1、3、5、7、9、11、13段非电毫秒雷管。
  ③ 岩石硝铵膨化炸药、岩石粉状乳化炸药。炸药规格22cm×φ32mm 、200g/管。
  ④ 导爆索、导爆管起爆。
  2.爆孔参数确定
  ⑴周边眼间距E。周边眼一般来说需要放置在断面的轮廓线条里,然后使光爆孔孔底向着轮廓线处稍微倾斜3°~5°适宜。孔径D为42mm时,则周边孔间距E =(10~16)D,Ⅱ、Ⅲ级的间距一般都会取40~55cm为宜。周边眼的间距距离最好是依照周围实际环境中的围岩软硬程度周边眼根据围岩的软硬程度进行调整,具体来说,软岩密度需要增大,不同级别的围岩需要有不一样的炮孔数。
  ⑵光爆层厚度W。也就是一种意义上的周边眼最小边界线,这一定义与施工时的隧道断面,和岩石特质以及地理结构等有关。隧道断面大,W较大,光爆眼不会被大幅度影响小,也就是说,这种情况下的岩石较易崩落;断面小,光爆眼容易受到较大影响,W较小;另外坚硬的岩石,W值较小,较软的岩石W值较大。
  ⑶密集系数K。周边眼密度等于眼间距比光爆层厚度W的结果,是关乎于爆破效果的关键所在,具体公式为K=E/W(K取值0.8)。
  ⑷孔深L。Ⅱ、Ⅲ级围岩每循环进尺深度:
  L=0.5×B×0.9%=0.5×10×0.9%=4.5m(隧道宽度B=10m)。
  Ⅱ、Ⅲ级围岩根据软硬程度的不同对每循环钻孔的取值都有相应的要求,具体情况如下:掏槽眼深度为4.5m,周边眼深度为3.8米,底板眼则为五米,辅助眼为四米。
  ⑸装药量Q,即周边眼光爆层炮眼装药集中度,计算公式为Q=qEW。其中,q指的是炸药单耗量,它的设定受到岩性、断面积、炮孔直径以及深度等多方面因素的控制,因而对炮孔利用率、装药效率以及开挖壁面的平整度和围岩的稳定性都有较大的影响,一般取值为1.2kg/m3。
  :Q=q×V(其中,V=S×l)。式中:Q—总用药量;q—单位用药量;V—开挖体积;S—隧道断面面积;l—掘进深度,即进尺。
  q—装药量 取0.11~0.30kg/m。
  根据经验确定周边眼装药量,q取0.20kg/m,每个炮孔装药量取(炮孔深按3.8m计)值:3.8×0.20kg/m=0.8 kg。
  3.掘进孔参数确定
  ⑴掏槽眼上的炮孔装载2.8g药,其上共有24个炮孔。
  ⑵掘进断面积的大小、岩石的硬度、炸药的性能等都影响着开挖断面炮孔数量N。掘进的孔的数量要适度不宜过多也不宜过少,当孔数过少时,会造成要咋的部分面积过大增多,可能还会炸不开;孔数过多将会促使工作量加大,浪费时间。
  根据公式N=0.0012qS/ad2 计算出掌子面开挖所需的炮孔个数。
  式中N—炮孔數量(个);断面开挖取0.5~1.94kg/m3。q—单位炸药消耗量, 一般取1.2kg/m3;S—开挖断面面积; a—炮眼装填系数,取0.62;d—炸药直径,岩石粉状乳化炸药直径为φ32mm。Ⅱ、Ⅲ级围岩断面S=83.36-94.92m2,炮孔数量N=104-120个,采用钻爆台车进行钻孔,炮孔直径均为φ42mm。
  掘进孔孔网根据单孔装药量负担面积确定: a.w=S=Q单/q.l 。 式中:Q单—单孔装药量; q—单耗; l—孔深; a—孔距; w —抵抗线; S—炮孔负担面积。
  ⑶单耗:根据经验确定,II、Ⅲ级围岩断面开挖取0.5~1.94kg/m3。杨木栅子隧道
  Ⅱ、Ⅲ级围岩断面开挖单耗取0.5kg/m3
  ⑴安装炮药的结构:在炮孔周围采用半径方向不相同的装药方式,之后我们再把串联之后的导爆索与导爆管相连,最后再把导爆管与起爆网路相连。如果想要光爆能够达到计划的标准效果,我们不要只担心其四周安放炮药的多少,还要注意帮助其爆炸的地方的炮药安放量,还有一点很重要就是在每一个重要的眼的位置都派专人负责。
  ⑸水压爆破,这种新型爆破方法是将炮孔最下面的炮药换成水袋,而且每一个炮孔都得比原计划的少安放一管炮药,一管炮药大约在一百六十克到二百克之间,掏槽孔例外。
  4、堵塞长度
  周边孔、掘进孔和掏槽孔等炮孔按照设计的单孔装药量装好炸药后装入4节水袋再填塞炮泥封口。
  5、起爆方法及顺序
  ①起爆方法:爆破中多使用多端微差毫杪雷管进行由里向外的起爆方式,这个方法主要使用在从掏槽眼到辅助眼至周边眼,每一段的起爆方式虽然相同,但还是有点不同之处,如周边眼的跳间隔时间为25-100ms,周边眼要跳2段,而辅助眼则不需要。   ②起爆顺序(采用全断面开挖):由掏槽眼到辅助眼再到周边眼最后是底板眼。
  ㈡ Ⅳ、Ⅴ级围岩段台阶法施工
  Ⅳ、Ⅴ级围岩采用三台阶法施工,掘进中分上导、中导、下导工艺顺序施工,在爆破参数设计时需分开设计。
  周边孔的间距要根据多方面的东西进行设计,其中就要考虑到围岩的相关数据,硬度和开挖面积,其次还要考虑到炮孔间距。除炸药在每一个孔的消耗量、炮孔的深度和铺助数量外,其他的参数数据与Ⅱ、Ⅲ级围岩基本相同。
  根据经验确定,周边孔间距一般取35~45cm;炮孔深度按规定开挖进尺不超过一榀拱架的间距,孔深取2.0~2.7m;掘进炮孔个数,根据开挖面积按上述公式计算确定,围岩软弱程度不同,可适当增减炮孔个数;单孔装药量,取炸药单耗最小值计算。
  钻孔方法、装药结构、填堵工艺、敷设网络连接及起爆方法与Ⅱ、Ⅲ级围岩相同。
  三、水压爆破施工工艺
  1.炮泥及水袋制作
  ①机具:炮泥机,KPS-60型塑袋灌装封口机。
  ②材料:普通黄土,φ35mm水袋,保鲜膜。
  ③制作流程
  ⑴炮泥制作:黄土过筛,去掉粗颗粒及杂质,给筛过的黄土洒水,保存黄土的湿度,这一步叫培土。将黄土放入炮泥机内充分搅拌,搅拌均匀后开始制作炮泥,制作出来的炮泥不能有裂口及裂纹,然后用保鲜膜包装好,保持炮泥的湿度(也可不用保鲜膜),每管炮泥长度取20m,直径为φ35mm。
  炮泥制作前,首先要选择具有粘性较好的黄土,用细筛把颗粒较大以及其他杂物过滤,洒水搅拌均匀,像和面团一样挼搓。把挼搓均匀黄泥放进炮泥制作机的料仓内,开启电源即可生出直径35mm的炮泥。炮泥卷的长度可根据使用情况自行调整,制作出的炮泥用薄膜包裹,以防止炮泥卷水分蒸发而干裂。
  ⑵水袋制作:将一组(3个)空水袋插入塑袋灌装封口机水口处,开启电源按钮,水袋自动装水封口,水袋制作完成。
  2.水袋、炸药、炮泥装填方法及顺序
  炮孔按设计孔网参数及深度钻好后,首先清除各炮孔内的残渣,装填前一定要把孔内的残渣清除干净,否则水袋容易被孔内残渣破损。清孔后,先将炮孔内放入1节水袋垫底(约15cm),然后根据设计的单孔装药量装填炸药,炸药装好后,再装填4节水袋(60cm),最后装填炮泥堵塞封口。
  3.经验总结
  周边孔钻孔深度3.8m,单孔装炸药0.7kg,孔底先装1节水袋垫底后装炸药,采用间隔装药结构,装药分别为0.5管—1管—1管—1管(3.5管),炸药间隔长度60~80cm,装好炸药后再连续装入4节水袋,最后填塞炮泥至孔口,用木杆捣实堵紧炮泥。
  掏槽孔孔深4.8m,单孔装药2.6~2.8kg,采用连续装药结构。1节水袋垫底后装炸药,装药长度2.86~3.08m(13—14管),再连续装入4节水袋后填堵炮泥至孔口,用木杆捣实堵紧炮泥。
  辅助孔孔深4.5m,单孔装药1.2kg,采用连续装药结构。炮孔内先装入1节水袋后再连续装炸药,装药长度1.32m(6管),再装入4节水袋后堵装炮泥至孔口,用木棍堵紧炮泥。
  掏槽孔、辅助孔等炮孔装药堵塞时,一定要注意填塞密实。各个炮孔装载的炸药的量要根据岩石的硬度进行适量的调整填充。炮孔间的孔间隔装载的炸药要一致均匀。
  四、效益分析
  1、从第二个表格中可以看出,想要表现出不同的效果,可以通过改变选用不一样的堵塞结构完成。而且没有进行再次填充的堵塞工程其最后呈现的效果远不如使用回填物填充后的堵塞工程。但是一开始就在孔底添加回填物的起爆效果最好。在表格中的第三个装药的方式,其好处表现在降尘及防岩爆这两个地方。因为在炮孔孔底有水袋进行填充,当其爆炸后水袋中的水喷射而出,将爆炸产生的粉尘吸附起来,这样很快就可以降尘土降落到地上。而且炮孔底部的水袋在爆炸时还可以使岩石破碎的更加彻底,将一部分水流到岩石中,会使发生岩爆的几率大大降低。
  2、水压爆破与常规爆破是爆破手法中最常见的两种,但是水压爆破确比常规爆破使用的炮药量低了百分之二十一点四,而且在每一个循环中爆破出来的深度也多了零点四米。这就表示,在常规爆破十一个循环时的进度等于水压爆破十个循环的进度。
  3.效益分析
  ①排煙降尘效果明显
  水袋受到炸药的爆炸后形成水汽,灰尘颗粒附着不易飞扬,可节省通风时间。隧道开挖1km以上时,采用常规爆破技术,放炮后需通风30~40min以上人员才能进入洞内施工;采用水压爆破技术,放炮后只需通风10~15min人员就可进入洞内施工,减少通风时间50%以上;每循环进尺可节省通风费用27.5元,仅此项就节省电费107470元,还可提高工作效率9.3%以上。
  ②节省炸药费用
  采用水压爆破技术,既提高了炸药能量利用率,又提高了经济效益,单位用药量可降低21.4%。由于单孔装药长度的减少(岩石粉状乳化炸药线密度为0.006kg/cm),每孔少装炸药200g,每循环进尺断面开挖共110个炮孔,则每循环进尺可节省炸药24kg。
  ③提高施工效率
  采用水压爆破技术,每循环掘进深度增加了0.4m,即:常规爆破钻孔深度3.7m,爆破后进尺3.2m;采用水压爆破钻孔深度仍为3.7m进尺,爆破后进尺3.6m,增加了循环进尺数量,提高循环掘进11.4%以上。
  ④降低爆渣大块率
  水压爆破技术由于使用水袋垫底,炮泥封口后,爆炸力充分显现,且爆炸力更均匀,使得围岩受力也更加均匀,不易形成大颗粒的渣,降低了爆渣大块率,爆破后形成的碎渣颗粒更加均匀松散,平均粒径在50~80mm之间,且没有了大块孤石,减少了二次破碎费用,方便了装渣,从而提高了出渣速度。
  五、结论
  通过上述所讲,现在的爆破技术比之以前的普通爆破开挖法有着很大的成效和优点,其的优点在于三个提高(炸药能量利用率、施工效率、经济效益)和一个保护(保护环境)的作用,完美的符合现在环保的理念。
  (作者单位:中铁十二局集团有限公司)
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